基于HyperWorks后部高度传感器支架刚度分析与优化设计

1  概述

    汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一。现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全、舒适及无污染的方向发展。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研宄的核心内容之一。

    传感器支架主要是起到固定传感器作用的功能，如果传感器刚度不足，传感器就不能正常工作，不能提供正常的数据，会明显降低整车的性价比，也会给用户带来不便。为了更好的模拟实际工况，考虑了传感器支架在车辆行驶过程中的受力情况，设计了四种工况条件，根据计算的位移情况来判断刚度是否满足要求，同时针对刚度不足的情况提出优化建议。

    HyperWorks作为高效的CAE软件集前后处理与求解器于一体，功能全面，操作便捷，因此本文选用HyperMesh建立支架的有限元模型，选用OptiStruct求解器完成对模型的刚度分析，使用HyperView进行后处理得到位移分布云图，其分析结果为结构设计和改进提供参考依据。

2  原支架结构刚度分析

2.1 有限元模型的建立

    该分析主要是针对传感器支架刚度问题，所以将传感器结构简化成一个质量点，只考虑支架的结构。首先对CATIA创建的几何模型，运用HyperMesh进行几何清理，最后按照有限元网格划分规范对模型进行网格划分，模型结点数1820,单元数1728,如图1所示。

2.2 材料属性

    计算中所使用的材料参数如下：

    合金钢的材料参数：弹性模量：210Gpa，材料密度：7.9e+3kg/m3，泊松比：0.3粘胶材料参数：弹性模量：4GPa，材料密度：1.2e+3kg/m3,泊松比：0.3

    长度单位为：mm

2.3 刚度分析及方案改进

    整车在行驶过程中受到的载荷主要来自路面与发动机的振动，由行驶系统及其连接机构传到车身各个部位，所以车辆行驶时传感器支架受到的载荷比较复杂，为了更好的模拟实车状态，本文设计了在传感器安装点区域分别施加X向、Y向、Z向、法向各100N，以便模拟哪个方向的受力对支架刚度影响比较大。相应的四种工况如表1所示。将支架和车身连接处约束六个方向自由度：DOF=123456,传感器安装点加载X、Y、Z和法向各100N，如图2所示。

    表1 模型刚度计算4种工况设定表

   图2 计算模型边界条件设定

    模型搭建完后采用OptiStruct求解器对该模型进行刚度分析，再运用HyperView进行后处理得到位移分布云图以及各工况的刚度值如图3、表2所示：

 图3 各工况下支架位移云图

    表2 支架各工况下刚度值

    由表2分析结果可以看出，支架在各工况下的刚度值基本小于目标值，所以在实车状态下，传感器的位移偏大，主要是由于支架刚度不足造成的，针对以上问题并根据Optistruct自带优化功能进行了形貌优化，最后给出了四种优化方案，如图4所示。

图4 四种优化方案

3  优化方案刚度分析

   新方案支架刚度分析方法与原方案相同（相同的工况条件），分析结果如表3所示。

    表3 各优化方案刚度值

图5 方案四各向位移云图

    由分析结果可以看出，方案四X、Y、Z、N向刚度值都大于目标值，满足设计要求，位移云图如图5所示。该方案在后续的实车验证过程中，未出现位移抖动现象。

4   结论

   通过对传感器支架有限元刚度分析，识别其抖动的原因，并针对此问题利用软件本身自带的功能进行优化设计。方案四刚度明显高于优化前，是一种比较有效的优化设计方案，这是HyperWorks软件在本次结构设计分析中的成功应用。

    基于HyperWorks的CAE技术在结构选型和设计过程中的应用可以寻找或较早地预测结构动态特性设计的不足，为设计师结构优化设计提供依据并指明方向，从而可在设计之初对结构进行设计改进，减少后期设计难度，缩短产品研发周期，提高设计可靠性。

来源：CAE技术资讯  作者：杜伟娟  胡海欧  陈韬